|
文献综述（或调研报告）：
关于深冷高压储氢技术的研究，我查阅的文献主要涉及以下几个方面：该技术与其他技术的储氢应用前景对比、该技术的原型设计和强度模拟测试、该技术的安全性（故障后的解决措施）、该技术的整体结构设计改进、该技术所涉及的原理理论（正仲氢转化）的分析。 技术研究现状：劳伦斯—利弗莫尔实验室开创了此项技术，当前研究中主要是其研究员在主导实物实验。 强度模拟测试情况 Salvador M. Aceveslowast;, Gene D. Berry等进行了一系列认证测试（碰撞、泄漏、坠落）通过实验结果与现行政策标准的比对，为将其投入商业化应用不断改进。随后的几代产品，他们除了对储氢容器进行扩容，由1kg扩容到10.7kg。[3] 本文主要阐述了深冷高压容器的研发思路：高压环境下，液氢储罐内氢气的休眠期会大幅延长，基于此，研究员们设计了将内容器换位耐压容器的储氢方式，并研发出深冷高压复合储氢技术。并在此基础上进行了故障测试。结果表明其在低温条件下安全性得到改善，可释放的机械能相比于常温大幅下降，为后续深冷高压储氢设备的研发打下了理论与实验基础。
填充情况影响因素分析 Guillaume Petitpas*， Julio Moreno-Blanco等进行了入口段的简化热力学建模，并得到了较为准确的填充密度预测模型。（plusmn;0.7g/l），比较了容器热容的影响，但该模型还有待进一步优化。[12] 本文主要描述了一系列不同工况下针对一种CPV容器的反复填充实验。实验中和之后，持续测量温度和压力，直到热平衡。此时密度可以通过温度和压力用标准状态方程计算得到。研究者还建立了一个可以基于汽车驶入站时的初始热力学状态（温度和压力）预测填充密度的热力学填充模型。 这篇文章的意义在于为低温容器填充密度随初始容器热力学状态和LH2泵性能的变化进行了首次综合研究。由本文可以得知：在填充过程中，容器热容对填充过程确有影响，可使得漏热引起的温度变化减小。预测时可将填充过程等效为绝热等熵过程，在相图上沿等熵线获取预测填充密度。在345bar的工作压力下，容器内氢气熵小于23kJ/kgK时，容器热容对整个储氢系统最终填充密度的影响很小（0.5g/l），可忽略不计，适用于160k以下的情况 安全性分析及真空故障解决措施 Julio C. Moreno-Blanco , Francisco Elizalde-Blancas 等针对容器真空层故障导致的安全隐患进行研究，提出了两种不向外界排放氢气的耗氢策略，并建模计算了耗氢速率和产生的电量（50k,300bar，8.1/13.5kw），分析了两种策略的优劣。 [11] 本文的主要意义在于：其具体分析了储氢罐使用时的一种高危工况：50k、3.1kg容器填满（70g/L），且氢气储存压力在300bar下真空绝缘失效的一种情况（漏热量可因此增加约100倍）。分析了容器碳纤维包覆铝内衬结构实现低温高压的原理，最终，得出的一个重要结论：即使真空失效，储罐内氢气温度达到室温（300k），若此时储罐内氢气密度低于27.4g/L，容器最终的内部压力不会超过最大许用压力（437bar）理论上也就不需要减压安全措施。此外若在最大密度下失效，在其压力接近最大许用压力时也可通过空调等汽车耗电器件或燃料电池消耗氢气，输出功率需达到13.5kW。 容器结构设计改进 Andrew H. Weisberg、F. Espinosa-Loza等从提高空间利用率的角度出发，使用适当几何形状的细丝缠绕容器有效地抵消来自内部压力的弯曲应力，以及使用内部结构抵抗压力的宏观晶格和复制堆积概念，提出了三种实现整合性的途径，并在有限元分析容器内部弯曲应力的基础上对储氢容器进行适形改造，提高容器的安全系数并提升空间利用率。此外，还研究了其他内容器结构排列方式以消除内部压力，减小安全隐患。[5] 本文的主要给出了现今深冷高压储氢容器的研究方向，并在结构优化方向做出了创新性的尝试，此外，本文还给出了理论利用氢的密度-内能相图计算休眠期的简单方法，并从实验角度指出，正仲氢转化和容器的热容这两个影响因素在温度高于80k时对休眠期延长作用明显，而在20-30k的工况下可忽略。 原理理论分析 Julio Moreno-Blanco , Guillaume Petitpas 等对正仲氢转化进行了深入研究，发现其对于深冷高压储氢技术的储氢密度仍有提升（5%）。[13] 本文展示了对影响低温容器填充密度的所有因素的综合评估，以便在广泛的条件下评估系统性能与操作参数。结果证实了先前的实验和模型，表明低温容器具有所有可用存储技术的最大填充密度，并且填充密度对日常行驶距离和绝缘性能最敏感。最后预测， 正仲氢转化会影响大多数汽车，使填充密度增加高达5.3％。 |
|
四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
本课题使用matlab软件建立数值模型，所有的物理学过程通过调用函数反复迭代计算。 最终采用源代码表示计算过程，计算结果由绘图函数表示，生成工况描述曲线。 本课题使用refprop9.1软件（NIST出品）对氢的热力学状态进行研究和描述，得到确定部分物理量（外界环境与车的一般配置、储氢罐参量的典型值）条件下其他状态参数的变化情况，得到实验数据资料，并将此作为验证理论模型准确程度的标准。 本课题在理论模型的建立过程中，主要参考文献中对工况因素进行分析研究的内容，在理解课题组现有原始模型的基础上，通过阅读文献和采用物性软件改变与之相关的物理量计算的方法，研究该影响因素对系统整体的作用。例如，为探究容器热容对储氢系统氢气温度变化的影响，在计算环境与容器交换热量所引起的温度变化时，将此热容与氢气热容求和作为整个容器的热容进行考虑。此过程通过函数语句实现，两种情况下的状态变化通过物性软件的状态表进行表征。并据此做出判断。
详细建模步骤主要由四部分构成：1.参数输入，建立初始模型：客车质量 m车，行驶时间 t车、行驶速度 V车、漏热量 △Q、填充质量m、风速v、坡角alpha; 2.力学分析，计算车辆行驶阻力，利用总功率得出氢气的使用流量： 受风面积 S、空气阻力系数 f空、路面摩擦系数f、效率参数 eta;1、eta;2 3.状态迭代，热流量改变确定温度压力等物理量变化：用恒定的气体流量、热流量来确定下一时刻的介质密度D、介质温度T，并得到容器压力P、介质热容Cp（T、P） 4.参数输出，图形绘制： P(t)、D(t)、M(t)、T(t)图的绘制 本方案工作基础是储氢模型的准确建立，重点侧重于细分工况建立和研究，工况描述的改进则属于探究内容，将视工作进展决定分析深度。 |
|
五、进度安排： 第1周--第4周 学习使用Matlab和NIST材料数据库描述超临界氢的状态。 Matlab主要学习图形界面操作、数值矩阵函数调用，能够掌握基本的作图和程序调试技巧。 Nist软件重点掌握给定物质不同工况范围的查询，并能够做出相图加以描述。 在此阶段内，需要阅读大量课题相关的超临界氢研究的文章，包括其储存、热力学特性等，应对其建立全面而较深的认识。 第5周--第8周 开展超临界氢密度计量方法的研究，能够基于温度和压力参数获取超临界氢的密度和质量，完成中期考核。 运用热力学和动力学相关知识建立超临界氢密度计量的数值模型，具体是给定容器温度和压力，可以确定储存氢气的密度。并能够利用nist软件的数据库加以验证，得到准确可靠地分析结果。 第9周-第12周 基于密度计量模型，增加氢燃料电池客车的行驶工况仿真模块，开展储氢、供氢过程的理论预测 选取典型的车辆模型，输入相关参数进行仿真，主要验证燃料电池的功率和耗氢流量。在验证通过的情况下，对储氢、耗氢工况进行具有实际应用价值的分析，针对超临界氢的储存特点提出针对性的建议。 第13周-第16周 完成毕设论文，进行答辩。 |
|
参考文献
[12] Guillaume Petitpas*, Julio Moreno-Blanco, Francisco Espinosa-Loza, Salvador M. Aceves. Rapid high density cryogenic pressure vessel filling to 345 bar with a liquid hydrogen pump international journal of hydrogen energy 43 (2018) 19547 -19558 [13] Julio Moreno-Blanco, Guillaume Petitpas, Francisco Espinosa-Loza, Francisco Elizalde-Blancas , Joel Martinez-Frias , Salvador M. Aceves * .The fill density of automotive cryo-compressed hydrogen vessels . international journal of hydrogen energy 44 (2019) 1010 -1020 |
资料编号：[176833]
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
